岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (12): 3869-3884.doi: 10.16285/j.rsm.2024.1597CSTR: 32223.14.j.rsm.2024.1597
侯公羽1,刘云峰1, 2,周光一1,于续楠1,邵耀华1,赵铁林1, 3
HOU Gong-yu1, LIU Yun-feng1, 2, ZHOU Guang-yi1, YU Xu-nan1, SHAO Yao-hua1, ZHAO Tie-lin1, 3
摘要: 为掌握煤层开采过程中坚硬顶板的变形及内力分布规律,并探究关键参数对坚硬顶板力学响应的敏感性,首先,将煤层和直接顶视为弹性地基,选取工作面中部单位宽度岩梁作为研究对象。然后,根据弹性地基梁和关键层理论,建立基本顶弹性基础梁模型,得到初次破断前顶板挠度变形、弯矩和剪力解析解,分析了弹性模量、煤层和直接顶刚度、上覆软弱岩层厚度、超前支承压力影响范围和基本顶厚度等5个关键参数对顶板挠度变形、弯矩和剪力的影响。最后,采用Design-Expert软件,设计了五因素三水平响应面试验方案,开展了单因素及交互因素作用对坚硬顶板力学特征的敏感性分析。结果表明:(1)煤层和直接顶刚度对顶板整体变形具有显著影响,其他因素主要影响采空区顶板;此外,上覆软弱岩层厚度的增加会导致顶板挠度变形的增大,其他因素则相反。(2)上覆软弱岩层厚度呈线性增加时,采空区顶板弯矩和剪力亦线性增长;超前支承压力影响范围和基本顶厚度对工作面前方顶板弯矩和剪力影响显著,而弹性模量、煤层和直接顶刚度对弯矩和剪力几乎无影响。(3)上覆软弱岩层厚度、超前支承压力影响范围和基本顶厚度等决定结构几何特性和荷载分布的因素对岩梁挠度变形和内力的影响,普遍大于弹性模量、煤层和直接顶刚度等岩体力学属性带来的影响。模型考虑了煤层开采过程中上部荷载的动态变化,为研究煤矿开采过程中基本顶的变形和内力分布提供了理论基础。
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